(57)【要約】【課題】ディーゼル機関のような筒内直接噴射式内燃機関における圧縮比の可変化を実現する。【解決手段】シリンダ１９の中心位置に燃料噴射弁２９を備えた直接噴射式ディーゼル機関において、ピストン８の上死点位置を変更する複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構を備える。圧縮比の変更に伴い上死点位置が変化しても燃焼室の基本形状が変化しないように、ピストン８の冠面のキャビティ２５は、ピストン８の外径に近い径の浅皿形状に形成される。また、最も圧縮比が低い条件での上死点位置において、キャビティ角度θｐと噴霧角度θｉとの関係が、θｉ＜θｐとなる。従って、シリンダ１９内壁面に噴霧が直接に衝突することはない。スキッシュは得られないが、複リンク式ピストン−クランク機構により単振動に近いピストン−ストローク特性とすることで、燃焼の時間が十分に確保される。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を往復動するピストンの冠面にキャビティを有するとともに、このキャビティを指向して燃焼室内に直接燃料を噴射するように燃料噴射弁を備えた筒内直接噴射式内燃機関において、
上記ピストンの上死点における位置を上下に変化させる可変圧縮比機構を備えるとともに、
上記燃料噴射弁の噴霧角度θｉと、ピストン上死点位置における上記燃料噴射弁の噴孔位置を中心とした上記キャビティの最外径に対する角度θｐと、の関係が、圧縮比が最も低い条件においてθｉ＜θｐとなることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
上記キャビティは、最外径がピストン径に近い浅皿形状をなすことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
ピストン外周部のスキッシュエリアが実質的に存在しないことを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
上記可変圧縮比機構は、一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第１連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、このロアリンクに第２連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端が内燃機関本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクと、このコントロールリンク他端の内燃機関本体に対する揺動支持位置を変位させる支持位置可変手段と、を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
ディーゼル機関であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項６】
上記燃料噴射弁は燃焼室のほぼ中心に位置し、その噴霧の中心軸がシリンダ中心線と平行であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項７】
クランクシャフトの回転に対する上記ピストンのピストンストローク特性が、単リンクのピストン−クランク機構における特性よりも単振動に近い特性となるように、上記可変圧縮比機構のリンク構成が設定されていることを特徴とする請求項４に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項８】
上記ピストンが最大燃焼荷重を受ける位置にあるときに、上記アッパリンクのシリンダ軸線に対する傾きが、単リンクのピストン−クランク機構の場合よりも小さくなるように、上記可変圧縮比機構のリンク構成が設定されていることを特徴とする請求項４または７に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項９】
過給機を備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ディーゼル機関などの筒内直接噴射式内燃機関、特に、ピストン上死点位置を変化させて機関の機械的圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構と組み合わせた筒内直接噴射式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル機関の場合、圧縮比は始動性の要求でほぼ決まっており、暖機後の通常運転時の圧縮比は、基本的に始動時よりは大幅に下げることが可能である。しかしながら、これまでは実用的な圧縮比可変手段が存在せず、またピストン上死点位置の変化に対応した燃焼制御が困難であったため、ディーゼル機関の圧縮比可変制御は実用に至っていない。
【０００３】
特許文献１は、本出願人が先に提案したものであり、複リンク式ピストン−クランク機構を用いた内燃機関の可変圧縮比機構を開示している。これは、一端がピストンにピストンピンを介して連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第１連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、によって、ピストンとクランクピンとが連係されているとともに、上記ロアリンクの運動を拘束するように、ロアリンクに第２連結ピンを介してコントロールリンクの一端が連結された構成となっており、コントロールリンクの他端が、例えばシリンダブロック下部に支持されている。そして、このコントロールリンクの他端の揺動中心をカム機構により変位させることで、ピストン上死点位置ひいては機関の圧縮比を変化させることができる。
【０００４】
一方、ディーゼル機関は、ガソリン機関とは異なり、点火栓を用いずに、圧縮による吸気の温度上昇を利用して、これに高圧の燃料噴霧を供給することにより、セタン価の高い軽油が自着火し、周囲の圧縮空気と反応して燃焼を行なう方式である。このディーゼル機関では、高圧で適度な貫徹力を有する燃料供給を行い、かつ、スワールやスキッシュなどの筒内ガス流動を積極的に利用することにより、空気利用率を高め、高負荷時のスモークなどの発生を回避している。従って、できるだけ多くの空気を吸入することが、スモーク発生を回避しながら出力を高める上で重要となる。そのため、ディーゼル機関は過給機と組み合わされることが多いが、高過給時に、圧縮比を適正値まで下げて最大燃焼圧力（Ｐｍａｘ）を低減できる可変圧縮比システムは、重要な技術であり、機関の耐久信頼性を維持しながら、出力、排気性能を向上させるポテンシャルを有している。
【特許文献１】特開２００１−２２７３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ピストン上死点位置を変更する形式の圧縮比可変機構をディーゼル機関に適用した場合、いくつかの大きな課題が生じる。
【０００６】
図１，図２は、従来のディーゼル機関に圧縮比可変機構を組み合わせた場合の構成例を示し、ピストン１０１が圧縮上死点位置にある時の状態を描いている。図の（ａ）は、高圧縮比制御状態、（ｂ）は低圧縮比制御状態を示す。これまでのディーゼル機関では、ピストン１０１に比較的深いキャビティ１０２を設け、周囲のスキッシュエリアから入り込んでくる圧縮空気の流動により吸気の乱れを効果的に高め、ここに燃料噴射弁１０３から高圧の燃料を噴射して効率よく燃焼させる（図１（ａ）、図２（ａ））。
【０００７】
しかし、可変圧縮比機構により図１（ｂ）のように低圧縮比に制御されると（一般に高負荷で大量の燃料を噴射する必要のある場合に空気量増大のために低圧縮比状態に制御されることになる）、上死点位置においても、ピストン１０１とシリンダヘッド上壁面との間のクリアランスが拡大するため、スキッシュの効果は著しく低下する。また、燃料噴霧についても、図２（ｂ）のように、キャビティ１０２の位置が下方となるために、従来のような比較的深くかつ開口径の小さなキャビティ１０２では、多くの燃料噴霧がキャビティ１０２の外側に向かってしまう。これは燃焼面でも影響が大きいが、比較的温度の低いシリンダ壁を直撃する燃料が増加するため、未燃のままパーティキュレートとなって排出されたり、シリンダ壁のオイルを希釈し、潤滑上の問題も発生する。また、このようにキャビティ１０２の外側に多くの燃料が向かう状況では、高負荷時の大量の噴射燃料が効率よく空気と出会って、空気利用率を高レベルに維持することは不可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る筒内直接噴射式内燃機関は、シリンダ内を往復動するピストンの冠面にキャビティを有するとともに、このキャビティを指向して燃焼室内に直接燃料を噴射するように燃料噴射弁を備えたものであって、上記ピストンの上死点における位置を上下に変化させる可変圧縮比機構を備えている。従って、機関運転条件に応じて、機械的圧縮比が可変制御される。
【０００９】
そして、上記燃料噴射弁の噴霧角度θｉと、ピストン上死点位置における上記燃料噴射弁の噴孔位置を中心とした上記キャビティの最外径に対する角度θｐと、の関係が、圧縮比が最も低い条件、つまりピストン上死点位置が最も低くなる場合において、θｉ＜θｐとなる。従って、可変圧縮比機構によりピストン上死点位置がどのように変化しても、噴霧はキャビティ内に衝突し、シリンダ壁に直接に噴霧が付着することはない。
【００１０】
本発明では、上記キャビティは、最外径がピストン径に近い浅皿形状をなすことが好ましい。また、ピストン外周部のスキッシュエリアが実質的に存在しないようにすることができる。スキッシュエリアは、可変圧縮比機構によりピストン上死点位置を変化させる場合には、圧縮比変化に伴って燃焼室の基本形状が変化することとなるので、むしろ有害である。
【００１１】
また本発明に好適な可変圧縮比機構としては、一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第１連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、このロアリンクに第２連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端が内燃機関本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクと、このコントロールリンク他端の内燃機関本体に対する揺動支持位置を変位させる支持位置可変手段と、を備えている。
【００１２】
このような可変圧縮比機構では、クランクシャフトの回転に対する上記ピストンのピストンストローク特性が、単リンクのピストン−クランク機構における特性よりも単振動に近い特性となるように、そのリンク構成を設定することが可能である。
【００１３】
このようにピストンストローク特性を単振動に近付けることで、上死点付近のピストン速度が相対的に遅くなる。つまり、スキッシュエリアをなくした浅皿形キャビティのピストンのように、スキッシュ効果が得られない燃焼室構造において、燃焼速度が遅くても、時間的な余裕がより大きく与えられることになる。
【００１４】
また上記ピストンが最大燃焼荷重を受ける位置にあるときに、上記アッパリンクのシリンダ軸線に対する傾きが、単リンクのピストン−クランク機構の場合よりも小さくなるように、上記可変圧縮比機構のリンク構成を設定することも容易である。このようにアッパリンクの姿勢が垂直に近付くことで、ピストンに作用するサイドスラスト荷重が相対的に低減する。例えばキャビティを浅皿形状とすると、深皿形キャビティに比べて燃料噴霧がシリンダ壁に到達する頻度は大となり、かつピストン外周部が高温燃焼ガスに晒されるため、ピストンスカート部の潤滑が厳しくなるが、上記のようにサイドスラスト荷重が低減することで、このスカート部の潤滑の問題が解消され得る。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、可変圧縮比機構によりピストン上死点位置が変化しても、シリンダ壁に燃料噴霧が直接に衝突することがなく、これによる未燃成分の増加やシリンダ壁のオイルの希釈等を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図３は、この発明に係る筒内直接噴射式内燃機関に用いられる可変圧縮比機構の構成を示す構成説明図である。この機構は、ロアリンク４とアッパリンク５とコントロールリンク１０とを主体とした複リンク式ピストン−クランク機構から構成されている。
【００１８】
クランクシャフト１は、複数のジャーナル部２とクランクピン３とを備えており、シリンダブロック１８の主軸受に、ジャーナル部２が回転自在に支持されている。上記クランクピン３は、ジャーナル部２から所定量偏心しており、ここにロアリンク４が回転自在に連結されている。カウンタウェイト１５は、ジャーナル部２とクランクピン３とを接続するクランクウェブ１６からクランクピン３とは反対側へ延びている。このカウンタウェイト１５は、クランクピン３を挟んで両側に互いに対向するように設けられており、その外周部は、ジャーナル部２を中心とした円弧形に形成されている。
【００１９】
上記ロアリンク４は、左右の２部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔に上記クランクピン３が嵌合している。
【００２０】
アッパリンク５は、下端側が第１連結ピン６によりロアリンク４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン７によりピストン８に回動可能に連結されている。上記ピストン８は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック１８のシリンダ１９内を往復動する。
【００２１】
ロアリンク４の運動を拘束するコントロールリンク１０は、上端側が第２連結ピン１１によりロアリンク４の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸１２を介して機関本体の一部となるシリンダブロック１８の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸１２は、回転可能に機関本体に支持されているとともに、その回転中心から偏心している偏心カム部１２ａを有し、この偏心カム部１２ａに上記コントロールリンク１０下端部が回転可能に嵌合している。
【００２２】
上記制御軸１２は、図示せぬエンジンコントロールユニットからの制御信号に基づいて作動する図示せぬ圧縮比制御アクチュエータによって回動位置が制御される。
【００２３】
上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構においては、上記制御軸１２が圧縮比制御アクチュエータによって回動されると、偏心カム部１２ａの中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク１０の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記コントロールリンク１０の揺動支持位置が変化すると、ピストン８の行程が変化し、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン８の位置が高くなったり低くなったりする。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。
【００２４】
図４は、上記の複リンク式ピストン−クランク機構の基本的な動作説明図であって、クランクシャフト１が１回転（３６０°ＣＡ）する間の各部の動作を、９０°ＣＡ毎に示している。図の（ｂ）がピストン上死点位置に相当し、この図（ｂ）から明らかなように、コントロールリンク１０の下端の位置が変化すれば、ピストン８が上下に変位して、圧縮比が変化することになる。
【００２５】
また、上記の複リンク式可変圧縮比機構においては、リンクディメンジョンを適切に選定することにより、単振動に近いピストンストローク特性が得られる。特に、図５に示すように、一般的な単リンク式ピストン−クランク機構のピストンストローク特性に比べて、より単振動に近い特性とすることが可能である。この単振動に近いピストンストローク特性により、上死点付近でのピストン８の速度が、単リンク式ピストン−クランク機構のものに比べて、２０％近く遅くなる。また、図６にピストン加速度の特性を示すように、慣性２次振動を小さくすることができ、内燃機関の振動騒音の上で有利となる。
【００２６】
次に、本発明の要部であるピストン８および燃焼室の構成について説明する。なお、この例は、過給機付ディーゼル機関の例である。
【００２７】
図７は、本発明に係るピストン８の構造を示している。このピストン８は、アルミニウム合金を用いて一体に鋳造されたものであって、比較的厚肉な円盤状をなすピストン頭部２１の外周面に、複数本、例えば３本のピストンリング溝２２が形成されているとともに、ピストン８のスラスト−反スラスト方向となる周方向の一部に、上記外周面から円筒面に沿って延びるように、スカート部２３が形成されている。
【００２８】
また、上記ピストン８の中心部つまり円盤状をなすピストン頭部２１の裏面に、一対のピンボス部２４が形成されており、該ピンボス部２４に回転自在に支持されたピストンピン７を介してアッパリンク５が連結されている。
【００２９】
そして、上記ピストン８の冠面には、最外径がピストン８の外径に殆ど等しい浅皿形状のキャビティ２５が同心状に凹設されている。上記キャビティ２５の外周には、面取りのための平面部分２６が非常に細い円環状に残っているに過ぎず、ガス流動を得るためのスキッシュエリアは、実質的に存在しない。
【００３０】
図８は、上記のような浅皿形状のキャビティ２５を有するピストン８を用いた燃焼室の構成を示しており、シリンダ１９の上端を覆うシリンダヘッド２８側に、図示せぬ吸気弁および排気弁が配置されているとともに、燃焼室の中心つまりシリンダ１９の中心位置に、燃料噴射弁２９が配置されている。この燃料噴射弁２９は、噴霧の中心軸がシリンダ中心線と一致しており、上記キャビティ２５を指向して、燃料を噴射する。なお、本実施例のディーゼル機関は、公知のコモンレール式燃料噴射装置を備えており、コントロールユニットからの制御信号により燃料噴射弁２９から高圧燃料を噴射する。ここで、図示するように、上記燃料噴射弁２９の噴霧の拡がりを噴霧角度θｉとし、ピストン８の上死点位置における燃料噴射弁２９の噴孔位置を中心とした上記キャビティ２５の最外径（本実施例ではピストン８の外径にほぼ等しい）に対する角度をキャビティ角度θｐ（これは圧縮比の可変制御に伴って変化する）としたときに、圧縮比が最も低い条件（つまりピストン８の上死点位置が最も低い条件）において、θｉ＜θｐとなるように、種々の寸法関係等が設定されている。
【００３１】
従って、上記構成では、図９に示すように、高圧縮比状態（ａ）と低圧縮比状態（ｂ）とで、それぞれピストン８の上死点位置が変化しても、燃焼室の基本形状の変化は少なく、また常にθｉ＜θｐの関係にあるから、燃料噴霧はキャビティ２５内に噴射され、温度の低いシリンダ１９内壁壁に直接噴霧が付着することがない。
【００３２】
一方、上記のようにスキッシュエリアを具備しない浅皿形状のキャビティ２５とした場合、スキッシュに代わる燃焼促進手段がないと、空気との混合や燃焼が良好に行えず、せっかくの可変圧縮比の効果が発揮できないことになる。しかしながら、前述したように、上記の可変圧縮比機構を構成する複リンク式ピストン−クランク機構では、単振動に近いピストンストローク特性が得られ、上死点付近でのピストン８の速度が、単リンク式ピストン−クランク機構のものに比べて、２０％近く遅くなる。従って、燃焼速度が遅くても、十分に時間的な余裕が与えられることになり、良好な燃焼を確保できる。なお、一般に圧縮比を高くすれば燃焼速度は速まるので、部分負荷のような高圧縮比とする運転条件ではスキッシュがないことによる問題はより少ない。
【００３３】
また、上記のように浅皿形状のキャビティ２５とすることで、燃料噴霧がキャビティ２５内に噴射されたとしても、ここで跳ね返った燃料噴霧がシリンダ１９内壁面に到達する頻度は、深皿形キャビティなどよりも大となる。しかもピストン８外周部が高温燃焼ガスに晒されるため、ピストンスカート部２３の潤滑は厳しくなる。圧縮比を低く設定して高過給を行う場合には、膨張行程中の平均的なピストン荷重（燃焼圧によるもの）は大となり、潤滑の要求がさらに増加する。しかし、上記の複リンク式ピストン−クランク機構においては、ピストン８の半径方向に作用するサイドスラスト荷重が、一般の単リンク式ピストン−クランク機構の場合よりも小さくなるので、このようなスカート部２３の潤滑の問題を回避できる。具体的には、ピストン８に最大燃焼圧が作用するのは、膨張行程の前半であり、図４の（ｃ）の付近でピストン頭部２１が最大荷重を受けることになるが、このとき、図示するように、アッパリンク５は、垂直に近い姿勢であり、シリンダ１９の軸線に対する傾きが非常に小さい。特に、単リンク式ピストン−クランク機構の場合のコネクティングロッドの姿勢に比べて、シリンダ１９の軸線に対する傾きを、より小さくすることが可能である。従って、サイドスラスト荷重が低減し、スカート部２３の潤滑の要求が軽減される。
【００３４】
以上、この発明をディーゼル機関に適用した実施例について説明したが、この発明はこれに限定されず、燃料を直接筒内に噴射して成層燃焼を行う直接噴射式ガソリン機関にも同様に適用することができる。図１０の（ａ）〜（ｆ）は、直接噴射式ガソリン機関に用いられる種々の形式のピストンキャビティ構造を示しており、（ａ）〜（ｃ）はスワールを利用して成層化を図るもの、（ｄ）〜（ｆ）はタンブルを利用して成層化を図るものであるが、（ａ）〜（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）の構成は、可変圧縮比には不向きである。（ｄ）はスキッシュエリアがないため、このような問題はないが、タンブル流のみで効果的な成層燃焼を行なわせるには無理があり、従来の直噴機関でもあまり採用されていない。しかしながら、前述したように、可変圧縮比機構を構成する複リンク式ピストン−クランク機構によって、単振動に近いピストンストローク特性とすれば、上死点付近でのピストン８の速度が、単リンク式ピストン−クランク機構のものに比べて遅くなることから、燃焼速度が遅くても、十分に時間的な余裕が与えられることになり、良好な燃焼を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の直接噴射式ディーゼル機関を可変圧縮比化した場合のスキッシュの説明図。
【図２】従来の直接噴射式ディーゼル機関を可変圧縮比化した場合の噴霧の説明図。
【図３】この発明に係る直接噴射式内燃機関の可変圧縮比機構を示す構成説明図。
【図４】その基本的な動作を示す動作説明図。
【図５】そのピストン−ストローク特性を示す特性図。
【図６】同じくピストンの加速度特性を示す特性図。
【図７】この発明に係る内燃機関に用いられるピストンの一部を切り欠いて示す斜視図。
【図８】噴霧角度θｉとキャビティ角度θｐとの関係を示す説明図。
【図９】高圧縮比状態（ａ）と低圧縮比状態（ｂ）とを対比して示す説明図。
【図１０】直接噴射式ガソリン機関の燃焼室の種々の構成例を示す説明図。
【符号の説明】
【００３６】
４…ロアリンク
５…アッパリンク
７…ピストンピン
８…ピストン
１０…コントロールリンク
２５…キャビティ
２９…燃料噴射弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図６】
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【図７】
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